SEM的基本原理及应用

1 什么是扫描电子显微镜

扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope ，缩写为SEM），简称扫描电镜，是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的一种常用的显微分析仪器。

2 SEM的发展

2.1 SEM的发展历史

1935年提出扫描电子显微镜的设计思想[1, 2]。

1942年在实验室制成第一台扫描电子显微镜。

1965年在英国诞生了第一台实用化的商品扫描电子显微镜，表明扫描电子显微镜具有广泛的应用价值。

1965年以后是扫描电子显微镜的精细化发展阶段。

1968年场发射扫描电子显微镜研发成功，极大提高了扫描电子显微镜的分辨率。

2002年日本日立公司推出S-4800型高分辨场发射扫描电子显微镜（FESEM）。

2.2 SEM在中国的发展

1975-1983年，自行设计研制期，研制成功DX-3型SEM[3]。

1983-1987年，从美国Amray公司的引进SEM技术并消化，推出KTYKY-1000B SEM。

1987-2000年，自主研发集中期,许多机构投入SEM 研制领域。

2000年至今，缓慢自主研发期。

3 SEM的结构

图1 扫描电镜结构示意图（图片来源：清华大学深圳国际研究生院材料与器件检测技术中心潘燕芳）

扫描电子显微镜主要以下几部分构成（图 1）：

（1） 电子光学系统：电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室。

（2） 扫描系统：扫描信号发生器，扫描放大控制器，扫描偏转线圈。

（3） 信号探测放大系统：接收二次电子，背散射电子等电子信号并放大。

（4） 图像显示和记录系统：SEM采用计算机进行图像显示和记录。

（5） 真空系统：机械泵，扩散泵和涡轮分子泵等。

（6） 电源系统。

4 SEM的成像原理及特点

4.1 电子束与样品的作用

电子枪产生的电子束轰击样品时主要产生图2所示的各种信号[4]：

图2 电子束与固体样品作用时产生的主要信号

（1）二次电子：在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子。二次电子特点是能量低，小于50 eV，只有样品表层5-10 nm深度范围内的二次电子才能离开样品表面。对样品的表面形貌十分敏感，产率高，成像分辨率高，能非常有效地显示表面形貌。

二次电子地产额和原子序数之间没有明显地关系，不能用它进行成分分析。

（2）背散射电子：被样品中的原子反弹回来的一部分入射电子，可分为弹性背散射电子和非弹性背散射电子。能量高，分布范围宽，为数十电子伏到数千电子伏。弹性背散射电子比非弹性背散射电子所占数量多。背散射电子来自样品表面几百纳米的深度范围。背散射电子产额随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用作形貌分析（分辨率不如二次电子）而且可以用来显示原子序数衬度，定性用作成分分析。

（3）其他信号：透射电子是入射电子的一部分，如果样品很薄，就会产生透射电子，可以用作微区成分分析。特征X射线是原子内层电子被轰出后，外层电子向内层跃迁产生的，可以用特征X射线判定微区中存在的元素。在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去（或使空位层的外层电子发射出去），这个被电离的电子成为俄歇电子。俄歇电子特别适用于表面成分分析。

从以上各种物理信号的空间分辨率（表1）和产率可以看出，二次电子和背散射电子是扫描电子显微镜的主要成像信号。

表1 各种信号的空间分辨率

4.2 成像原理

电子枪产生的电子束经过电磁透镜聚焦，扫描线圈控制电子束对样品进行扫描，与样品相互作用产生各种物理信号，探测器将物理信号转换成图像信息。样品不同的形貌表现出不同的衬度（图像不同部位之间的亮度差异），因此扫描电子显微镜可以观察到样品的表面的形貌[5]。

注意，突出的尖棱，小粒子和比较陡峭的斜面处二次电子产额较多，在图像上表现为亮度较大。平面的二次电子产率较小，在图像上表现为亮度较低。在深的凹槽处二次电子产率也高，但是，二次电子离开样品表面的数量少，在图像上表现为较暗。

4.3 特点

（1） 图像景深大，立体感强

（2） 分辨率高

（3） 制样简单

（4） 可直接观察大尺寸试样

（5） 观察的视场大

（6） 对样品表面的污染小

（7） 试样在样品室中的自由度大

（8） 放大倍数大，从数倍到几十万倍

（9） 可以进行许多原位实验

5 SEM的应用

5.1 形貌分析

Lu等[6]通过水热法一步合成氮掺杂碳所包覆的FeSe2团簇用于钾离子电容器负极材料，性能优异，并借助扫描电镜观察到所合成的FeSe2/N-C形貌为由纳米棒组成3D团簇结构，团簇直径大约为1.5-2.5微米（图 3）。

图3 FeSe2/N-C的SEM图像

5.2 截面尺寸观察

Wu等[7]通过使用一锅水热法合成了氮掺杂氧化石墨烯包覆的聚锑酸（PAA⊂N-RGO），作为锂离子和钾离子电池负极电极材料，表现出优异的倍率和循环性能。如图4所示，采用FESEM观察三种样品的初始态和放电末态（放电到0.01 V），发现样品PAA⊂N-RGO通过N-RGO的包覆极大缓冲了充放电过程中体积膨胀，这揭示了PAA⊂N-RGO材料电化学性能优异的原因。

图4 FESEM图像显示电极厚度的变化：（a）PAA初态（b）放电到0.01V的状态（c）PAA+N-RGO初态（d）放电到0.01V的状态（e）PAA⊂N-RGO初态（d）放电到0.01V的状态

5.3 EDX元素分析

Wu等[8]借助SEM观察了Mn2-xSb2O7的微观形貌（图5a）,并根据EDX分析了元素组成及含量，确定所合成的物质为Mn1.41Sb2O7。

图5（a）Mn2-xSb2O7的SEM图像（b）相应的EDX结果

5.4 Mapping

Li 等[9]构建了一种高度定向石墨烯（HOGS），用作钠离子电容器正极材料，表现出极好的电化学性能，并借助FESEM观察放电态HOGS的形貌（图6a），图6b-d的Mapping图则表明元素C，O，Na均匀分布。Na元素的出现证明了放电过程中有赝电容参与电化学反应，支持了HOGS的钠离子赝电容储能机理。

图6（a）放电态HOGS的FESEM图像 （b-d）相应的Mapping

参考文献

[1] 罗晓晶. 扫描电镜的发展及其在医药领域的应用[J]. 山东工业技术. 2018:22

[2] 刘彻. 扫描电镜的发展及其在聚合物材料研究中的应用 [J]. 中山大学研究生学刊(自然科学.医学版). 2013,34:7-12

[3] 李志荣, 郑佳, 等. 中韩扫描电子显微镜发展情况比较研究[J]. 全球科技经济瞭望. 2013,28:64-68

[4] 周玉. 材料分析方法[M]. 北京：机械工业出版社，2019.

[5] 吴立新，陈方玉. 现代扫描电镜的发展及其在材料科学中的应用 [J]. 武钢技术. 2005:36-40

[6] Ge, J., et al. Nature of FeSe2/N‐C Anode for High Performance Potassium Ion Hybrid Capacitor[J]. Advanced Energy Materials, 2019. 10(4): p. 1903277.

[7] Wang, B., et al. Realizing Reversible Conversion‐Alloying of Sb(V) in Polyantimonic Acid for Fast and Durable Lithium‐ and Potassium‐Ion Storage[J]. Advanced Energy Materials, 2019. 10(1).

[8] Wang, B., et al. Three-dimensional cross-linked MnO/Sb hybrid nanowires co-embedded nitrogen-doped carbon tubes as high-performance anode materials for lithium-ion batteries[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020. 835.

[9] Ma, H., et al. Highly Ordered Graphene Solid: An Efficient Platform for Capacitive Sodium-Ion Storage with Ultrahigh Volumetric Capacity and Superior Rate Capability[J]. ACS Nano, 2019. 13(8): p. 9161-9170.

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